هل يمكن لشكل قشرة البيضة حماية المركبات الفضائية من الحطام المداري؟
© Sputnik
تابعنا عبر
صمم باحثون هيكلاً واقياً خفيف الوزن مستوحى من قشرة البيضة، يعمل على توزيع طاقة الصدمة عبر مجموعة من قشور الألومنيوم المملوءة بالماء، وهو مفهوم قد يساعد المركبات الفضائية المستقبلية على تحمل الاصطدامات عالية السرعة بشكل أفضل.
تواجه المركبات الفضائية في مدار الأرض مشكلة متنامية: الحطام
يدور حالياً ما يقارب مليون قطعة من الحطام المداري يزيد حجمها عن سنتيمتر واحد حول الأرض. عند السرعات المدارية، حتى الشظية الصغيرة نسبياً يمكن أن تصطدم بالمركبة الفضائية بطاقة هائلة، ما يهدد الأقمار الصناعية والتلسكوبات وغيرها من المعدات.
اتجه باحثون في جامعة داليان للتكنولوجيا في الصين إلى مصدر غير متوقع لإيجاد حل محتمل: شكل البيضة. تستكشف دراستهم، المنشورة في مجلة الفيزياء التطبيقية، مادة واقية مصنوعة من مصفوفات من قشور الألومنيوم المملوءة بالماء على شكل بيضة.
لماذا نسخ شيء ينكسر بسهولة؟
لا تبدو قشرة البيضة نموذجًا بديهيًا لدروع المركبات الفضائية. يكفي الضغط عليها في موضع خاطئ لتتشقق، لكن الباحثين لم يهتموا فقط بقوة قشرة واحدة، بل ركزوا على ما يحدث عندما تعمل هياكل بيضاوية الشكل متعددة معًا.
يضع تصميمهم عدة قشور ألومنيوم مملوءة بالماء بين لوحين من الألومنيوم المقاوم للصدمات،عند تعرض الهيكل للصدمة، لا تتركز طاقة الصدمة في قشرة واحدة، بل ينتشر التشوه تدريجيًا عبر المجموعة.
يمكن لكل قشرة أن تتشوه وتنهار بالتتابع، مما يساعد على تحويل الصدمة الموضعية إلى طاقة موزعة عبر هيكل أكبر بكثير، وهذا التمييز مهم،لا يأتي التأثير الوقائي من جعل كل عنصر على حدة قويًا للغاية، بل من التحكم في كيفية انهيار الهيكل بأكمله. في الهندسة، قد يكون السماح لأجزاء محددة من الهيكل بالتشوه مفيدًا إذا امتص هذا التشوه الطاقة قبل وصولها إلى الجزء المراد حمايته.
الماء يضيف طبقة حماية ثانية
الشكل البيضاوي ليس سوى جزء من الفكرة.تُملأ الأغلفة المصنوعة من الألومنيوم بالماء. أثناء الاصطدام القوي، يتحرك الماء داخل الأغلفة، ووفقًا للباحثين، تعيق هذه الحركة انتشار الموجات الصدمية وتساعد على تبديد طاقة الصدمة الإضافية.
والنتيجة هي مزيج من آليتين:تتشوه أغلفة الألومنيوم وتمتص الطاقة الميكانيكية، بينما يساعد السائل المتحرك على تقليل الصدمة وإعادة توزيعها أثناء انتقالها عبر الهيكل.
وهذا يجعل التصميم نوعًا من الهياكل الفوقية المستوحاة من الطبيعة - وهي مادة هندسية يعتمد سلوكها العام على ترتيب وشكل مكوناتها، وليس فقط على خصائص المادة الخام نفسها.
ما مدى كفاءة الأداء؟
قارن الباحثون عدة نماذج ثلاثية الأبعاد ومحاكاة. شملت هذه النماذج ألواحًا تقليدية من الألومنيوم، وكرات من الألومنيوم مملوءة بالماء موضوعة بين الألواح، والهياكل الجديدة بيضاوية الشكل مملوءة بالماء.
وكان أداء الهيكل البيضاوي هو الأفضل. في المحاكاة المذكورة، قلّلت هذه التقنية سرعة المقذوف المصطدم بنسبة حوالي 65%، مقارنةً بنسبة حوالي 51% للألواح الألومنيوم وحدها. كما كان لاتجاه الأغلفة دورٌ هامٌ أيضًا،فقد كان الترتيب الأكثر فعالية هو وضع العناصر بيضاوية الشكل عموديًا، بحيث تكون أطرافها غير الحادة ملامسةً للوح العلوي.
تُبيّن هذه النتيجة أهمية الهندسة، فقد يحتوي نظامان واقيان على مواد متشابهة، لكنهما يتصرفان بشكل مختلف تمامًا اعتمادًا على شكل وترتيب عناصرهما الداخلية.
22 أكتوبر 2025, 16:05 GMT
لماذا تُعدّ الحماية خفيفة الوزن مهمة في الفضاء؟
إنّ إضافة الحماية لمركبة فضائية ليس بالأمر البسيط، فلا يكفي زيادة سُمك جدرانها، فكل كيلوغرام إضافي يُرسل إلى الفضاء يزيد من متطلبات الإطلاق، لذا يحتاج المهندسون إلى هياكل توفر حماية قوية دون زيادة الوزن بشكل مفرط.
هنا تكمن فائدة المفهوم الجديد،فبدلًا من الاعتماد فقط على معدن صلب سميك، قد تُوفّر طبقة مُهيكلة مُصممة لتوزيع وامتصاص طاقة الصدمة طريقةً أكثر فعالية لحماية المركبات الفضائية من الحطام عالي السرعة.
يصف الباحثون الهياكل الفوقية خفيفة الوزن المستوحاة من الطبيعة بأنها اتجاه واعد للحماية من الاصطدامات فائقة السرعة.
إنها واعدة، لكنها ليست دروعًا للمركبات الفضائية بعد
يعمل الباحثون حالياً على تعديل عوامل مثل سُمك الأغلفة المصنوعة من الألومنيوم، وأبعادها، وطريقة ترتيبها، وذلك لزيادة تعزيز قدرة الهيكل على امتصاص الطاقة.
وتُعد هذه النقطة مهمة؛ فالنتائج المُعلن عنها تبرز الإمكانات الكامنة في هذا التصميم، ولا تمثل نظام حماية مكتملاً وجاهزاً للاستخدام الفعلي.
ومع ذلك، تقدم الدراسة نموذجاً رائعاً للهندسة المستوحاة من الطبيعة (المحاكاة الحيوية)، التي تعتمد على حل المشكلات التقنية من خلال دراسة استراتيجيات موجودة بالفعل في الطبيعة.
قد تكون قشرة البيضة هشة بمفردها، ولكن عند تحويل شكلها الهندسي إلى مصفوفة هندسية مُصنّعة، ودمجها مع الألومنيوم وملئها بسائل، يمكن لهذا الشكل الأساسي نفسه أن يصبح جزءاً من هيكل مُصمّم للتعامل مع الصدمات العنيفة.
وبالنسبة للمركبات الفضائية المستقبلية، قد تكون العبرة بسيطة ومدهشة في آن واحد: فالحماية لا تتحقق دائماً بجعل الشيء أكثر صلابة، بل قد تأتي أحياناً من خلال تصميم آلية امتصاص الصدمة وتوزيعها والقدرة على الصمود أمامها.
المصدر: | بوابة روسيا العلمية |
